一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种电阻型随机存储器的存储单元，包括从下至上依次设置的衬底、第一电极、中间层及第二电极，所述中间层由氮掺杂多孔碳薄膜形成。本发明专利技术还公开了一种电阻型随机存储器的存储单元的制备方法，首先在衬底表面沉积金属薄膜作为第一电极；在第一电极表面沉积氮掺杂多孔碳薄膜；在氮掺杂多孔碳薄膜表面沉积金属薄膜作为第二电极；采用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀的方法在已获得的结构基础上制备出隔离的器件结构。本电阻型随机存储器不需要电形成过程，高低电阻态间差值大于100倍，且表现出优异的高温稳定性能，在120℃，氩气或氮气气氛中，高低阻态的阻值可以稳定保持超过7天。

【技术实现步骤摘要】
一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法
本专利技术涉及非挥发性存储器
，尤其涉及一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法。
技术介绍
当前数字高科技的飞速发展，对现有信息存储产品的性能提出了更高的要求，例如：高速度、高密度、长寿命、低成本和低功耗等，同时也揭示了现有随机存储技术的缺陷。动态存储器和静态存储器的弱点之一是其易失性：断电情况下信息丢失，并且易受电磁辐射干扰。闪存则存在读写速度慢、记录密度低等技术障碍。因此，迫切需要在存储材料和技术方面取得突破，以开发新一代的存储器技术。2000年美国休斯顿大学在金属/钙钛矿锰氧化物（PrCaMnO）/金属这种三明治结构中发现，在两金属电极间施加电脉冲可以使体系电阻在高低阻值上来回快速切换。随后，人们发现在NiO、CuO、ZrO2、TiO2等多种二元过渡族金属氧化物中也存在类似的电致电阻转变效应。基于该电阻转变效应，人们提出了一种新型非易失性存储器概念—电阻型随机存储器（RRAM）。电阻型随机存储器的存储单元，一般结构为绝缘衬底，绝缘衬底表面设置第一电极，第一电极表面上设置具有电阻转变特性材料制成的中间层，中间层的表面设置第二电极，和其它存储器相比，电阻型随机存储器（RRAM）具有制备简单、擦写速度快、存储密度高、与半导体工艺兼容性好等主要优势。目前，绝大部分关于电阻型随机存储器（RRAM）中间层的研究均集中于氧化物材料，但已有采用非氧化物材料作为中间层的研究。本申请人在公开号为CN101599530B的专利文献公开了一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法，包括绝缘衬底，绝缘衬底表面设置第一电极，第一电极表面上设置具有电阻转变特性材料制成的中间层，中间层的表面设置第二电极，所述中间层由氧化石墨烯薄膜形成，中间层的厚度范围为1～200nm。
技术实现思路
本专利技术提供了一种电阻型随机存储器的存储单元及其制备方法，采用氮掺杂多孔碳薄膜作为中间层材料，制备的电阻型随机存储器不需要电形成过程，高低电阻态间差值大于100倍，且表现出优异的高温稳定性能。本专利技术公开了一种电阻型随机存储器的存储单元，包括从下至上依次设置的衬底、第一电极、中间层及第二电极，所述中间层由氮掺杂多孔碳薄膜形成。作为优选，所述中间层的厚度为1nm～1μm。作为优选，所述衬底的材质为绝缘材料（玻璃、热氧化硅片、陶瓷等）、半导体材料（硅、氧化物半导体、氮化物半导体等）或导电材料（各种金属、石墨等）。作为优选，所述第一电极和第二电极为铝、铜、金、银、铂、钛、钨、钽、铁、锡、钴、镍中的一种或多种。本专利技术还公开了一种电阻型随机存储器的存储单元的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在衬底表面沉积金属薄膜作为第一电极；步骤2、在第一电极表面沉积氮掺杂多孔碳薄膜；步骤3、在氮掺杂多孔碳薄膜表面上沉积金属薄膜作为第二电极；步骤4、采用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀的方法在步骤3已获得的结构基础上制备出隔离的器件结构。作为优选，步骤2中所述氮掺杂多孔碳薄膜的制备过程如下：采用磁控溅射的方法，以富碳材料作为溅射靶材，以氮气或者氮气与氩气的混合气体作为溅射气氛，在步骤1制备的第一电极上沉积氮掺杂碳膜；然后在真空、氮气或惰性气氛中，在300～1000℃下，将氮掺杂碳膜热处理10秒～20小时，得到所述的氮掺杂多孔碳薄膜。通过改变衬底温度、衬底偏压、溅射功率、溅射气压等工艺参数，可以调整氮掺杂碳薄膜中氮原子的百分含量为0.1%～40%。作为优选，所述衬底温度为20～500℃，衬底偏压为0～–500V，溅射功率为20W～5kW，溅射气压为0.1～100Pa。作为优选，所述的氮掺杂碳膜热处理过程为：首先在保护性气氛中将氮掺杂碳膜升温至500～700℃，在该温度下保温20秒～2小时，后冷却至室温。所述的升温步骤采用射频炉、电阻炉或快速退火炉实现。作为优选，步骤3中，采用溅射或电子束蒸发的方法在氮掺杂多孔碳薄膜表面制备第二电极，第二电极采用掩膜板或光刻或干刻的方法成型。氮掺杂会在非晶碳薄膜中引入C–N、C=N和C≡N键，因此可以改善非晶碳薄膜的热稳定性，经热处理后得到的氮掺杂多孔碳薄膜也具有极佳的热稳定性。以该氮掺杂多孔碳薄膜作为中间层制备的电阻型随机存储器，具有优异的高温稳定性。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：电阻型随机存储器的存储单元两个电极之间的中间层不采用氧化物材料，而是采用N掺杂多孔碳薄膜，这种结构的电阻型随机存储器在直流电压连续扫描激励下表现出优异的高低阻态之间的转变和记忆特性，其高低电阻态间的差值可大于100倍，所有器件的擦写均不需要电形成过程。此外，这种结构的电阻型随机存储器表现出优异的高温稳定性能，在120℃，氩气或氮气气氛中，高低阻态的阻值可以稳定保持超过7天。这些特性表明本专利技术在非挥发性存储器件领域具有重要的应用价值。附图说明图1为实施例中电阻型随机存储器的存储单元的结构示意图；图2为实施例中电阻型随机存储器存储单元的初始电流-电压曲线；图3为实施例中电阻型随机存储器存储单元的正常电流-电压曲线；图4为实施例中电阻型随机存储器存储单元在120℃，氩气气氛中，高阻态和低阻态随时间的变化；图5为对比例中电阻型随机存储器的存储单元的初始电流-电压曲线；图6为对比例中电阻型随机存储器的存储单元的正常电流-电压曲线。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。实施例：如图1所示的电阻型随机存储器的存储单元，包括绝缘衬底，绝缘衬底由单晶硅和生长在单晶硅表面的二氧化硅隔离介质层组成，二氧化硅隔离介质层上设置第一电极，第一电极由20nm厚的钛和150nm厚的铂组成；第一电极表面上设置N掺杂多孔碳薄膜的中间层，中间层厚度为25nm，中间层的表面设置铜制成的第二电极，第二电极厚度为50nm。上述电阻型随机存储器的存储单元的制备方法为：步骤1、利用热氧化的方法将二氧化硅隔离介质层生长在单晶硅上制成绝缘衬底；步骤2、利用溅射法在绝缘衬底表面依次制备20nm厚的钛和150nm厚铂作为第一电极；步骤3、采用磁控溅射的方法，以石墨作为溅射靶材，以氮气作为溅射气氛，衬底温度为室温，制备N掺杂的碳薄膜，所制备N掺杂碳薄膜的厚度为60nm，N的原子百分含量为20%。然后使用快速退火炉，在氩气中，在600℃的温度下，将N掺杂的碳膜热处理10分钟，得到N掺杂的多孔碳薄膜，孔的尺寸为10～200nm，N的原子百分含量为13%；步骤4、利用电子束蒸发结合掩膜板的方法在N掺杂多孔碳薄膜上制作由铜制成的第二电极，第二电极厚度为50nm；步骤5、采用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀的方法在步骤4已获得的结构基础上制备出隔离的器件结构。参考图2和图3（图中的数字1、2、3、4表明电压扫描顺序），利用半导体参数分析测试仪测试了器件的电流-电压特性。在电压连续扫描模式下测试了该器件的电流-电压特性。扫描偏压加在第二电极和第一电极上。器件的初始电流-电压特性测试结果见图2。器件一开始处于低电阻状态，因此不需要额外较大的电形成电压。当电压从0V扫描至–0.75V时，器件保持在低阻态，表明低电阻状态是非易失性的，继续从–0.75V（重置电压）扫描至–1.5V的过程中，器件的电阻不断增大，最后转变为高阻态，当电压从–1.5V扫描至0V时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电阻型随机存储器的存储单元，包括从下至上依次设置的衬底、第一电极、中间层及第二电极，其特征在于，所述中间层由氮掺杂多孔碳薄膜形成。

【技术特征摘要】
1.一种电阻型随机存储器的存储单元，包括从下至上依次设置的衬底、第一电极、中间层及第二电极，其特征在于，所述中间层由氮掺杂多孔碳薄膜形成；所述电阻型随机存储器的存储单元的制备方法包括以下步骤：步骤1、在衬底表面沉积金属薄膜作为第一电极；步骤2、在第一电极表面沉积氮掺杂多孔碳薄膜；所述氮掺杂多孔碳薄膜的制备过程如下：采用磁控溅射的方法，以富碳材料作为溅射靶材，以氮气或者氮气与氩气的混合气体作为溅射气氛，在步骤1制备的第一电极上沉积氮掺杂碳膜，沉积温度为20～500℃；然后在真空、氮气或惰性气氛中，在300～1000℃下，将氮掺杂碳膜热处理10秒～20小时，得到所述的氮掺杂多孔碳薄膜；步骤3、在氮掺杂多孔碳薄膜表面上沉积金属薄膜作为第二电极；步骤4、采用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀的方法在步骤3已获得的结构基...

【专利技术属性】
技术研发人员：诸葛飞，陈浩，曹鸿涛，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33